JP2015097222A - Superconductive magnet - Google Patents

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和久田 毅
Takeshi Wakuta
毅 和久田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a superconductive magnet with large stored energy capable of being protected at quench occurrence.SOLUTION: The superconductive magnet is constituted of plural superconducting coil blocks (2a, 2b) each being connected to protective resistors (7a, 7b and 7c, 7d) in parallel, and which are connected in series to each other being interposed by switches (3, 5a, 5b) inserted between the coil blocks (2a, 2b). Each of the protective resistors is provided with a protective resistor short circuit switch (8a, 8b) for causing a short circuit. When a quench occurs, the switches (3, 5a, 5b) are cut off in such a state the protective resistor short circuit switches (8a, 8b) are ON; and after cutting off the switches (3, 5a, 5b), the protective resistor short circuit switches (8a, 8b) are turned OFF.

Description

本発明は、超伝導磁石保護回路を用いた超伝導磁石に関する。   The present invention relates to a superconducting magnet using a superconducting magnet protection circuit.

直流電気抵抗ゼロの超伝導体を利用すると高い電流密度で電流を通電することが可能であることから、これを利用して強磁場を発生する電磁石が実現されている。超伝導線材を用いてつくられた電磁石(以降、超電導磁石と記す)は、NMR(Nuclear Magnetic Resonance)分光装置、MRI(Magnetic Resonance Imaging)装置用途の磁石、研究用加速器用の磁石などで利用されている。   When a superconductor having no direct current electric resistance is used, it is possible to pass a current at a high current density. Therefore, an electromagnet that generates a strong magnetic field using this is realized. Electromagnets made of superconducting wires (hereinafter referred to as superconducting magnets) are used in NMR (Nuclear Magnetic Resonance) spectrometers, MRI (Magnetic Resonance Imaging) magnets, research accelerator magnets, etc. Yes.

超伝導磁石は極低温に冷却されて超伝導状態が維持されるが、極低温中では常温にくらべ比熱が桁違いに小さいため、なんらかのわずかな外部擾乱によって温度上昇が発生し、超伝導状態から常電導転移するクエンチが発生することがある。   The superconducting magnet is cooled to a very low temperature and maintained in a superconducting state, but at a very low temperature, the specific heat is an order of magnitude smaller than that at room temperature. Quenching with normal conducting transition may occur.

磁場を発生している超伝導磁石には、磁気の形でエネルギーが蓄えられているが、クエンチが生じ超伝導磁石が電気抵抗を発生すると、その抵抗で蓄積されたエネルギーが消費されることになる。蓄積エネルギーが大きく、局所的にエネルギーが消費される場合、ジュール発熱によりクエンチした領域の温度は急激に上昇し、やがて焼損に至る。   Superconducting magnets that generate a magnetic field store energy in the form of magnetism, but when quenching occurs and superconducting magnets generate electrical resistance, the energy stored in the resistance is consumed. Become. When the accumulated energy is large and energy is consumed locally, the temperature of the region quenched by Joule heat rises rapidly and eventually burns out.

したがって、超伝導磁石には、クエンチ発生時に超伝導磁石の焼損を防止するための保護機構が必要となる。一般には、超伝導磁石には並列に保護抵抗と呼ばれる抵抗が接続され、保護抵抗でエネルギーを速やかに熱に変えて消費させることにより、超伝導磁石内部での局所的な温度上昇を抑制する。   Therefore, the superconducting magnet requires a protection mechanism for preventing the superconducting magnet from burning when a quench occurs. In general, a resistance called a protective resistance is connected in parallel to the superconducting magnet, and energy is quickly changed to heat and consumed by the protective resistance, thereby suppressing a local temperature rise inside the superconducting magnet.

その他の方法としては、ヒータでクエンチしていない部分に熱を投入し、超伝導磁石の抵抗発生領域を速やかに拡大させ、局所的ではなく広い領域でエネルギーを消費させることによって、局所的な温度上昇を抑制する、クエンチバックという保護方法もある。   As another method, heat is applied to a portion that is not quenched by the heater, the resistance generation region of the superconducting magnet is quickly expanded, and energy is consumed in a wide region rather than a local temperature, thereby causing a local temperature There is also a protection method called quenchback that suppresses the rise.

いずれの場合も、クエンチの発生した局所的な場所で発熱させることなく、より広い領域でエネルギーを消費させ、また、外部抵抗によって速やかに磁石に流れている電流を減衰させることが焼損防止のポイントとなる。   In any case, it is important to prevent the burnout by consuming energy in a wider area without causing heat generation in the local area where the quench occurs, and by quickly attenuating the current flowing in the magnet by external resistance. It becomes.

磁石の焼損を防止するためには速やかに磁石に流れている電流を減衰させることが必要である。磁石から電流を引き抜く際には、クエンチした領域の抵抗性の電圧以外に、電流の変化に伴う誘導電圧が磁石に発生する。電流を急激に減衰させると誘導電圧が大きくなり、磁石の電気絶縁がもたなくなるため電流減衰速度には上限がある。   In order to prevent burning of the magnet, it is necessary to quickly attenuate the current flowing through the magnet. When the current is drawn from the magnet, an induced voltage accompanying the change in current is generated in the magnet in addition to the resistive voltage in the quenched region. When the current is rapidly attenuated, the induced voltage increases, and there is no electrical insulation of the magnet.

磁石の規模が大きくなってくると、発生する電圧が大きすぎて磁石全体を一括で保護することは難しく、構成される磁石を分割し、分割された小磁石個別に保護抵抗を抱かせて保護する分割保護を行うことが必要となる。分割を行うことによって個々の磁石での電圧発生を小さくすることができる。また、分割保護をした場合、個々の磁石の保護回路における電流減衰時定数を適切に設定でき、また、保護動作のタイミングなども調整できることから、全体一括保護に比べ全体としての発生電圧を小さく抑えることが可能である。   When the scale of a magnet becomes larger, it is difficult to protect the whole magnet at once because the generated voltage is too large. Divide the composed magnet, and protect the individual divided small magnets with protective resistance. It is necessary to perform division protection. By performing the division, voltage generation in each magnet can be reduced. In addition, when divided protection is used, the current decay time constant in the protection circuit of each magnet can be set appropriately, and the timing of the protection operation can be adjusted, so the overall generated voltage is kept lower than the overall collective protection. It is possible.

しかし、分割保護を行っても、アース電位から見た磁石の最高電位(対地電圧)は、個々の保護回路で発生した電圧が加算されて持ち上がってしまうため、磁石が大型になれば対地絶縁を確保することが困難となってしまう。   However, even with split protection, the maximum potential (ground voltage) of the magnet as seen from the ground potential is lifted by adding the voltages generated by the individual protection circuits. It will be difficult to ensure.

非特許文献1および特許文献1には、大型磁石においてもこの対地電圧を抑制する方法が開示されている。この手法は、通常の運転時には主回路には抵抗が存在せず、クエンチ発生後の磁石保護動作の際に、主回路中に抵抗を発生させるものである。主回路にコイルのインダクタンスと抵抗を交互に並べることによって、インダクタンス部で発生する負電圧、抵抗部で発生する正電圧を互いにキャンセルさせることにより、対地電圧を抑制するものである。   Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 disclose a method of suppressing this ground voltage even in a large magnet. In this method, there is no resistance in the main circuit during normal operation, and resistance is generated in the main circuit during the magnet protection operation after the quench occurs. By alternately arranging the inductance and resistance of the coil in the main circuit, the negative voltage generated in the inductance portion and the positive voltage generated in the resistance portion are canceled with each other, thereby suppressing the ground voltage.

特開平9−93800号公報JP-A-9-93800

"OPERATING EXPERIENCE OF TORE SUPRA SUPERCONDUCTING MAGNETS", Turck, B. et al., Fusion Engineering, 1993., 15th IEEE/NPSS Symposium on (Volume:1 )"OPERATING EXPERIENCE OF TORE SUPRA SUPERCONDUCTING MAGNETS", Turck, B. et al., Fusion Engineering, 1993., 15th IEEE / NPSS Symposium on (Volume: 1)

非特許文献1、特許文献1などで開示された磁石保護法式によって、対地電圧を低減することは可能である。しかし、この方式では、インダクタンスによる負電圧発生と抵抗による正の電圧発生をキャンセルさせることを特徴としているので、負電圧と正電圧をバランスさせる必要がある。   The ground voltage can be reduced by the magnet protection method disclosed in Non-Patent Document 1, Patent Document 1, and the like. However, this method is characterized in that the negative voltage generation due to the inductance and the positive voltage generation due to the resistance are cancelled, so it is necessary to balance the negative voltage and the positive voltage.

同じ形状の磁石を複数並べ、インダクタンスの値がほぼ同じであれば、発生する誘導起電力は同じであるので比較的設計は容易となる。しかし、インダクタンスの値が異なるコイルがあると誘導起電力の大きさが異なるため設計が難しくなる。この場合、インダクタンスの大きさに応じ、誘導電圧をキャンセルするように、直列に挿入される抵抗値に差をつけることによって電圧をキャンセルすることは可能である。しかし、クエンチ後の磁石保護動作時の電流値や電流減衰割合は時間とともに変化するために、誘導起電力と抵抗電圧を常にバランスさせることは原理的にできない。インダクタンスと抵抗を交互に並べる設計は、対地電圧の抑制には確かに効果的ではあるが、構成要素の磁石の大きさが異なり、また、全体として蓄積エネルギーが大きな磁石では、この方式での対地電圧抑制には限界がある。   If a plurality of magnets having the same shape are arranged and the inductance values are approximately the same, the induced electromotive force generated is the same, and therefore the design is relatively easy. However, if there are coils with different inductance values, the magnitude of the induced electromotive force is different, making the design difficult. In this case, the voltage can be canceled by making a difference between the resistance values inserted in series so as to cancel the induced voltage according to the magnitude of the inductance. However, since the current value and current decay rate during the magnet protection operation after quenching change with time, it is impossible in principle to always balance the induced electromotive force and the resistance voltage. The design in which the inductance and resistance are arranged alternately is certainly effective in suppressing the ground voltage, but the magnets of the constituent elements are different, and the magnet with a large stored energy as a whole is the ground for this method. There is a limit to voltage suppression.

本発明の目的は、磁石の構成や蓄積エネルギーの大きさに関わらず、超伝導磁石を保護する方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a method for protecting a superconducting magnet regardless of the configuration of the magnet and the magnitude of stored energy.

本発明の超伝導磁石は、複数のコイルブロックがスイッチをはさんで直列接続されて主回路が構成されており、個々のコイルブロックには保護抵抗が並列接続されており、それぞれの保護抵抗には短絡させるためのスイッチが並列接続されている構成となっている。そして、この保護抵抗は中点で接地されている。クエンチが発生し、磁石の保護動作開始の際には、保護抵抗に備え付けられた短絡スイッチは閉状態であり、主回路のスイッチを開にして個々のコイルブロックを切り離した後に、短絡スイッチを開にする。   In the superconducting magnet of the present invention, a plurality of coil blocks are connected in series across a switch to form a main circuit, and protective resistances are connected in parallel to the individual coil blocks. Has a configuration in which switches for short-circuiting are connected in parallel. This protective resistor is grounded at the midpoint. When a quench occurs and the protection operation of the magnet starts, the short-circuit switch provided in the protection resistor is closed. After the individual circuit blocks are disconnected by opening the main circuit switch, the short-circuit switch is opened. To.

本発明によれば、磁石の大きさに関わらず常電導磁石の対地電圧を許容値以下に制約した保護回路を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a protection circuit in which the ground voltage of a normal conducting magnet is restricted to an allowable value or less regardless of the size of the magnet.

本発明の超伝導磁石保護回路の基本的な回路図である。It is a basic circuit diagram of the superconducting magnet protection circuit of the present invention. 本発明の保護抵抗短絡スイッチの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the protection resistance short circuit switch of this invention. 本発明の高耐圧保護抵抗短絡スイッチの構成方法を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure method of the high voltage | pressure-resistant protective resistance short circuit switch of this invention. 本発明の主回路分断スイッチまたは電源遮断スイッチの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the main circuit division | segmentation switch or power supply cutoff switch of this invention. 本発明の主回路分断スイッチまたは電源遮断スイッチの構成の別の例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows another example of a structure of the main circuit parting switch of this invention, or a power cutoff switch. 本発明の電流転流時間の制御を可能とする主回路分断スイッチまたは電源遮断スイッチの構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of a structure of the main circuit parting switch or power supply cutoff switch which enables control of the current commutation time of this invention. 本発明の電流転流時間の制御を可能とする、スナバレスの主回路分断スイッチまたは電源遮断スイッチの構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of a structure of the snubberless main circuit disconnection switch or power supply cutoff switch which enables control of the current commutation time of this invention. 本発明の全体回路の形態の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the form of the whole circuit of this invention. 本発明の全体回路の形態の別の例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows another example of the form of the whole circuit of this invention. 本発明の磁石保護回路のもうひとつの基本概念を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows another basic concept of the magnet protection circuit of this invention. 本発明のタイミングの制御なしにスイッチ動作の時間差を確保するためのスイッチ駆動回路の例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the example of the switch drive circuit for ensuring the time difference of switch operation | movement without control of the timing of this invention.

本発明は、超伝導磁石の保護回路に関し、電源駆動モードで運転される超伝導磁石用保護回路に関する。   The present invention relates to a protection circuit for a superconducting magnet, and relates to a protection circuit for a superconducting magnet operated in a power supply driving mode.

本発明の超伝導磁石保護回路は、超伝導磁石を構成する個々の超伝導コイルに保護抵抗が結合されて電流減衰回路が形成されており、定常運転状態ではそれらの超伝導コイルはスイッチを介して直列に接続されて励磁されている。クエンチが発生した際には、個々の回路をつなぐスイッチを切って、それぞれを独立にし、それぞれの回路において中点接地をすることで、いかなる大型の磁石においても対地電圧を低く抑えた保護回路を実現できる。   In the superconducting magnet protection circuit of the present invention, a protection resistor is coupled to each superconducting coil constituting the superconducting magnet to form a current attenuating circuit. In a normal operation state, these superconducting coils are connected via a switch. Are excited in series. When a quench occurs, the switches that connect the individual circuits are turned off to make them independent, and the grounding point is grounded in each circuit, so that a protection circuit that suppresses the ground voltage in any large magnet can be reduced. realizable.

以下、本発明に係る実施形態について説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。   Embodiments according to the present invention will be described below. However, the present invention is not limited to the embodiments taken up here, and can be appropriately combined and improved without departing from the scope of the invention.

本発明に係る超伝導磁石保護回路は、複数のコイルブロックが直列接続されて構成される超伝導磁石であって、このコイルブロックはひとつもしくは複数コイルが直列接続された構成となっており、コイルブロックには保護抵抗回路が並列接続されて電流減衰ループが形成されている。このコイルブロックはスイッチを介して直列接続され直流電流源によって励磁される。さらに保護抵抗には並列に保護抵抗短絡スイッチが接続されており、スイッチをオンにすることによって保護抵抗の全部または一部を短絡し、コイルブロックの保護回路における抵抗値を変更できるように構成されている。   The superconducting magnet protection circuit according to the present invention is a superconducting magnet configured by connecting a plurality of coil blocks in series, and this coil block has a configuration in which one or a plurality of coils are connected in series. A protection resistance circuit is connected in parallel to the block to form a current decay loop. This coil block is connected in series via a switch and is excited by a direct current source. Furthermore, a protective resistor short-circuit switch is connected in parallel to the protective resistor, and it is configured to change the resistance value in the coil block protection circuit by short-circuiting all or part of the protective resistor by turning on the switch. ing.

そして本発明の保護回路の動作は、定常状態においては主回路に挿入されたすべてのスイッチはオンになっており、直流電流源からコイルが一続きの電流で励磁されている。クエンチが発生すると、主回路に挿入されたスイッチを切る瞬間には、保護抵抗に並列接続されたスイッチはオン状態となっており、そのため保護回路の抵抗が小さくなるように維持されている。主回路に挿入されたスイッチのいずれかがオフとなると、主回路を一続きに流れていた電流は、保護抵抗回路に流れ込み、主回路に挿入されたスイッチがすべてオフとなってから、保護回路を短絡していたスイッチがオフになることを特徴とする。   In the operation of the protection circuit of the present invention, all the switches inserted in the main circuit are turned on in the steady state, and the coil is excited by a continuous current from the direct current source. When the quench occurs, at the moment when the switch inserted in the main circuit is turned off, the switch connected in parallel to the protection resistor is in the ON state, so that the resistance of the protection circuit is kept small. When one of the switches inserted in the main circuit is turned off, the current that has flowed continuously through the main circuit flows into the protection resistor circuit, and after all the switches inserted in the main circuit are turned off, the protection circuit The switch that has been short-circuited is turned off.

また、主回路に挿入されるスイッチ、保護抵抗を短絡させるスイッチは、単体もしくは複数のスイッチが直列接続された構成となっており、スイッチとしては電磁接触器などの接点を有したスイッチやIGBT, MOSFET, バイポーラトランスタなどをはじめとする半導体スイッチの単独もしくは組み合わせによって構成される。   In addition, the switch inserted in the main circuit and the switch that short-circuits the protective resistance are configured by connecting a single switch or a plurality of switches in series, such as a switch having a contact such as an electromagnetic contactor, an IGBT, Consists of single or combination of semiconductor switches such as MOSFET and bipolar transformer.

各スイッチにはスイッチオフ時の高電圧発生を抑制するためのスナバ回路(任意の電圧抑制回路、電圧クリップ用のダイオードやアレスタも含む)が適宜設置される。   Each switch is appropriately provided with a snubber circuit (including an arbitrary voltage suppression circuit, a diode for voltage clipping, and an arrester) for suppressing generation of a high voltage when the switch is turned off.

また、複数のスイッチが直列接続される場合には、スイッチがオフのときに直列接続された個々のスイッチへの電圧分担を所望の分担比とするように、スイッチのオフ抵抗よりも小さい抵抗を個々のスイッチに並列に接続した分圧器が備え付けられている。   In addition, when a plurality of switches are connected in series, a resistance smaller than the off-resistance of the switch is set so that the voltage sharing to the individual switches connected in series when the switch is off is a desired sharing ratio. A voltage divider connected in parallel to each switch is provided.

主回路に挿入されるスイッチを電磁接触器とした場合には、大電流通電時に電流遮断を行うときの高電圧発生の抑制が重要となる。主回路にMOSFETなどの半導体のスイッチ素子を挿入しておき、ゲート電圧を制御して主回路に一続きで流れている電流を穏やかに保護回路ループへ移行させ、電磁接触器で遮断すべき電流を小さく、もしくはゼロにすることによって、電磁接触器での高電圧発生抑制を行うことも可能である。   When the switch inserted in the main circuit is an electromagnetic contactor, it is important to suppress the generation of a high voltage when the current is interrupted when a large current is applied. Insert a semiconductor switch element such as a MOSFET into the main circuit, control the gate voltage, and gently transfer the current that flows continuously to the main circuit to the protection circuit loop. It is also possible to suppress the generation of a high voltage in the electromagnetic contactor by making the value small or zero.

また、それぞれの保護抵抗の中点で接地をすることによって、常に各々の保護回路の最大対地電圧(の絶対値)を各々の超伝導コイルで発生する電圧(誘導性電圧およびクエンチ部での抵抗性電圧の和)の半分にすることができる。保護抵抗の値や保護抵抗短絡スイッチの設置の仕方によっては、保護抵抗の中点のアース回路を通じて、他の保護回路に電流が流れるため、これを抑制するためには中点設置する際に適切な接地抵抗を介して接地するか、開閉器を取り付けてクエンチ保護動作の適切なスイッチタイミングにおいて(主回路が完全に切断されから、保護抵抗短絡スイッチを開く前が望ましい)接地すればよい。   In addition, by grounding at the midpoint of each protection resistance, the voltage (absolute value) of the maximum ground voltage of each protection circuit is always generated at each superconducting coil (inductive voltage and resistance at the quench section). Half of the total voltage). Depending on the value of the protective resistance and the way the protective resistance short-circuit switch is installed, current flows to other protective circuits through the ground circuit at the midpoint of the protective resistance. It may be grounded through a suitable grounding resistor, or a switch may be attached and grounded at an appropriate switch timing of the quench protection operation (preferably after the main circuit is completely disconnected and before the protective resistor short-circuit switch is opened).

本発明を更に図面を参照しながら具体的に説明する。
(超伝導磁石の仕様)
発生磁場12Tの大型超伝導磁石の保護回路の設計を実施した。磁石はNb3SnとNbTiで構成された多層コイル構成で、内側に4個のNb3Snコイル、外側に6個のNbTiコイルで構成されている。磁石の運転電流は700Aで蓄積エネルギーはおよそ30MJである。Nb3SnコイルのブロックとNbTiコイルの2つのブロックに分けて磁石保護を行うこととした。クエンチ時の電圧発生とホットスポットにおける温度上昇を鑑み、Nb3Snコイルブロックにおける対地絶縁設計は1.2kV、NbTiコイルブロックにおける対地絶縁は2.5kVとした。
The present invention will be specifically described with reference to the drawings.
(Superconducting magnet specifications)
We designed a protection circuit for a large superconducting magnet with a generated magnetic field of 12T. The magnet has a multilayer coil configuration composed of Nb3Sn and NbTi, and is composed of four Nb3Sn coils on the inner side and six NbTi coils on the outer side. The operating current of the magnet is 700A and the stored energy is about 30MJ. Magnet protection was performed by dividing into two blocks of Nb3Sn coil and NbTi coil. Considering the voltage generation at the time of quenching and the temperature rise at the hot spot, the ground insulation design in the Nb3Sn coil block was 1.2 kV, and the ground insulation in the NbTi coil block was 2.5 kV.

以下、実施例を用いて説明する。   Hereinafter, description will be made using examples.

(超伝導磁石の保護回路基本構成)
図1に超伝導磁石保護回路の基本的な回路図を示す。
(Basic configuration of superconducting magnet protection circuit)
FIG. 1 shows a basic circuit diagram of a superconducting magnet protection circuit.

2つのコイル(1a,1bおよび1c,1d)が直列接続された2つのコイルブロック(2a,2b)が主回路分断スイッチ(3)を介して接続され、直流電流源(4)に接続されている。直流電流源とコイルの間には電源とコイルを切り離すための電源遮断スイッチ(5a,5b)が挿入されている。直流電流源(4)には内部もしくは外部に電源を保護するための電源保護抵抗もしくは電源内部抵抗(6)が備え付けられる。コイルブロック(2a,2b)にはそれぞれクエンチ時に電流を減衰させるための閉回路を構成するために、保護抵抗(7a,7bおよび7c,7d)が設置される。それぞれのコイルブロック(2a,2b)の保護抵抗(7a,7bおよび7c,7d)には、コイルブロックから見て短絡されるように並列に保護抵抗短絡スイッチ(8a,8b)が備え付けられる。それぞれのコイルブロックに設置された保護抵抗の中点で接地する。コイルブロック(2a,2b)、直流電流源(4)、主回路分断スイッチ(3)及び電源遮断スイッチ(5a,5b)で主回路を形成する。
(動作シーケンス)
次に、クエンチ発生後の磁石保護動作について説明する。定常運転の際には、コイルブロック(2a,2b)は直流電流源(4)により駆動されているため、電源遮断スイッチ(5a,5b)は閉、また、主回路分断スイッチ(3)も閉状態である。定常運転時には、保護回路短絡スイッチ(8a,8b)については、閉、開のどちらでもよいが、後述するスイッチのタイミング制御なしで保護動作を保証する観点からは閉状態となっていることが必要である。
Two coil blocks (2a, 2b) in which two coils (1a, 1b and 1c, 1d) are connected in series are connected via a main circuit disconnecting switch (3) and connected to a direct current source (4) Yes. A power cutoff switch (5a, 5b) for disconnecting the power source and the coil is inserted between the direct current source and the coil. The DC current source (4) is provided with a power source protection resistor or a power source internal resistor (6) for protecting the power source inside or outside. The coil blocks (2a, 2b) are provided with protective resistors (7a, 7b and 7c, 7d) in order to form a closed circuit for attenuating current during quenching. The protective resistors (7a, 7b and 7c, 7d) of the respective coil blocks (2a, 2b) are provided with protective resistor short-circuit switches (8a, 8b) in parallel so as to be short-circuited when viewed from the coil block. Ground at the midpoint of the protective resistor installed in each coil block. A main circuit is formed by the coil block (2a, 2b), the direct current source (4), the main circuit disconnecting switch (3), and the power cutoff switch (5a, 5b).
(Operation sequence)
Next, the magnet protection operation after the occurrence of quenching will be described. During steady operation, the coil blocks (2a, 2b) are driven by the DC current source (4), so the power shut-off switches (5a, 5b) are closed, and the main circuit disconnect switch (3) is also closed. State. During steady operation, the protection circuit short-circuit switches (8a, 8b) can be either closed or open, but they must be closed from the viewpoint of guaranteeing protection without the switch timing control described below. It is.

クエンチ発生後、速やかに直流電流源(4)からコイルへの電流の供給を止める必要があるが、この操作の前に保護抵抗短絡スイッチ(8a,8b)を閉状態にする。定常運転時も常に閉状態として運用しているのであれば、改めてこのスイッチを閉にする操作は必要がない。   Although it is necessary to stop the supply of current from the DC current source (4) to the coil immediately after the quench occurs, the protective resistance short-circuit switches (8a, 8b) are closed before this operation. If the operation is always performed in the closed state even during steady operation, there is no need to re-open this switch.

次に、直流電流源(4)からの電流の供給を止める操作を行う。エネルギーの投入を止めるため、電源遮断スイッチ(5a,5b)と主回路分断スイッチ(3)を遮断する(開にする)。直列回路になっているため、これらのいずれかのスイッチが遮断されると、直流電流源(4)からコイルへの電流の供給がストップする。基本回路の説明においてはこれらスイッチについては機能的には違いがないため、特にスイッチを切る動作のタイミングについては気を使う必要はない。   Next, an operation for stopping the supply of current from the DC current source (4) is performed. In order to stop the energy input, the power cut-off switches (5a, 5b) and the main circuit cut-off switch (3) are cut off (open). Since it is a series circuit, the supply of current from the DC current source (4) to the coil stops when any of these switches is interrupted. In the description of the basic circuit, there is no functional difference between these switches, so there is no need to pay attention to the timing of the operation for turning off the switches.

主回路分断スイッチ(3)および電源遮断スイッチ(5a,5b)が完全に開になった後に、保護抵抗短絡スイッチ(8a,8b)を開にする。   After the main circuit disconnect switch (3) and the power shut-off switch (5a, 5b) are completely opened, the protective resistance short-circuit switches (8a, 8b) are opened.

以上の操作により、それぞれのコイルブロックは中点設置された独立の保護回路として動作する。
(動作原理)
コイルを分割して保護を行う分割保護方式では、細かく分割を行うことによりコイルブロックあたりの発生電圧を小さくすることはできるが、回路自体はつながっており対地電圧は個々のブロックで発生する電圧が加算されるため、n分割しても対地電圧が1/nに小さくなるわけではない。しかし、個々の保護回路が独立であれば、分割によって対地電圧が小さくなることは明白である。主回路分断スイッチおよび電源遮断スイッチを切って回路を分断することによって、個々の保護回路を独立として働かせることが可能となる。
By the above operation, each coil block operates as an independent protection circuit installed at the midpoint.
(Operating principle)
In the divided protection method that divides and protects the coil, the voltage generated per coil block can be reduced by finely dividing it, but the circuit itself is connected and the ground voltage is the voltage generated in each block. Since they are added, the ground voltage does not decrease to 1 / n even if divided into n. However, if the individual protection circuits are independent, it is clear that the ground voltage is reduced by the division. By cutting off the main circuit dividing switch and the power cut-off switch to divide the circuit, each protection circuit can be operated independently.

しかし、主回路分断スイッチや電源遮断スイッチを切るだけで保護回路が成立するわけではない。仮に図1の回路で保護抵抗短絡スイッチが存在しないことを考える。クエンチ検出後、主回路分断スイッチと電源遮断スイッチの遮断を実施する。スイッチ動作の時間差がゼロということは絶対に実現できないため、いずれかのスイッチが切れた瞬間には他のスイッチはつながった状態のままである。   However, the protection circuit is not established simply by turning off the main circuit dividing switch or the power cutoff switch. Suppose that there is no protective resistance short-circuit switch in the circuit of FIG. After detecting the quench, shut off the main circuit disconnect switch and the power shut-off switch. Since the time difference between the switch operations cannot be zero, the other switches remain connected at the moment when one of the switches is turned off.

一方、主回路にはこれらのスイッチが直列に挿入されているから、いずれかのスイッチが切れた瞬間に、それぞれのコイルブロックで保護動作が開始する(コイルの電流が保護抵抗回路に流れ込む)。保護抵抗へ電流が流れ込む瞬間に、コイルブロックに流れていた電流と保護抵抗との積の電圧が瞬時に発生し、電流減衰とともにその電圧は下がっていく。保護抵抗は磁石のエネルギーを速やかに消費させるために電気絶縁が耐える範囲で大きく設計すべきであるから、保護動作開始時には大きな電圧が発生する。したがって、スイッチが切れずにつながった状態のまま、個々の保護回路で発生した電圧は加算されることになり対地電圧は大きくなる。   On the other hand, since these switches are inserted in series in the main circuit, the protection operation is started in each coil block at the moment when one of the switches is turned off (the coil current flows into the protection resistance circuit). At the moment when the current flows into the protective resistance, a voltage of the product of the current flowing through the coil block and the protective resistance is instantaneously generated, and the voltage decreases as the current decays. Since the protective resistance should be designed to be large as long as the electrical insulation can withstand in order to quickly consume the magnet energy, a large voltage is generated at the start of the protective operation. Therefore, the voltages generated in the individual protection circuits are added while the switch is connected without being cut off, and the ground voltage is increased.

以上のように、単純に主回路にスイッチを挿入して回路を分断しても対地電圧の抑制はできない。したがって、回路分断方式を成立させるためには、主回路に挿入されたスイッチの動作に時間差があっても高電圧を発生させない仕組みが必要である。   As described above, the ground voltage cannot be suppressed by simply inserting a switch in the main circuit and dividing the circuit. Therefore, in order to establish the circuit dividing method, a mechanism that does not generate a high voltage even if there is a time difference in the operation of the switch inserted in the main circuit is necessary.

主回路のスイッチのいずれかのスイッチが切れた瞬間に、それぞれの保護回路にて電圧が発生するため、この電圧を小さくすることによって、スイッチ動作の時間差の問題を解消することができる。保護動作開始時の発生電圧は、コイルに流れる電流と保護抵抗の積で決まるから、この保護抵抗の値を小さくすることによって、高電圧発生を抑制できる。   Since a voltage is generated in each protection circuit at the moment when any one of the switches of the main circuit is turned off, the problem of the time difference of the switch operation can be solved by reducing this voltage. Since the generated voltage at the start of the protection operation is determined by the product of the current flowing through the coil and the protection resistance, the generation of a high voltage can be suppressed by reducing the value of the protection resistance.

しかし、保護抵抗はコイルに蓄積されたエネルギーを速やかにジュール発熱として散逸させないといけないとコイルが焼損するため、保護抵抗をあまり小さくすることはできない。そこで、主回路に挿入されたスイッチが切れる瞬間には、保護抵抗短絡スイッチにて保護抵抗を短絡させてゼロの状態としておき、主回路のすべてのスイッチが完全に切れた後に、保護抵抗短絡スイッチを切って保護抵抗が働くようにすれば問題を解決することができる。
(保護抵抗短絡スイッチ)
次に保護抵抗短絡スイッチについて説明する。保護抵抗短絡スイッチは、定常運転状態においては電流を流しておらず、クエンチ発生後の磁石の保護動作時に、主回路のスイッチを切断する瞬間にのみ電流を通電し、主回路のスイッチが切られた後は電流は流れない。そのため、スイッチのオン抵抗はそれほど小さくなくてもよく、スイッチでの電圧降下伴う発熱はそれほど気にしなくてもよい。また、保護抵抗短絡スイッチは、主回路に挿入されるスイッチが切られた後に速やかに切られる必要があり、制御性に優れている必要がある。
However, the protective resistance cannot be made very small because the coil burns out if the energy stored in the coil must be quickly dissipated as Joule heat. Therefore, at the moment when the switch inserted in the main circuit is turned off, the protective resistor is short-circuited by the protective resistor short-circuit switch to make it zero, and after all the switches of the main circuit are completely cut off, the protective resistor short-circuit switch The problem can be solved if the protective resistance works by turning off.
(Protection resistance short-circuit switch)
Next, the protective resistance short-circuit switch will be described. The protective resistance short-circuit switch does not pass current in the steady operation state, and when the magnet is protected after the quench occurs, the current is passed only at the moment of switching off the main circuit switch, and the main circuit switch is turned off. After that, no current flows. For this reason, the on-resistance of the switch does not have to be so small, and the heat generated by the voltage drop at the switch does not have to be so much concerned. Further, the protective resistance short-circuit switch needs to be quickly turned off after the switch inserted into the main circuit is turned off, and needs to be excellent in controllability.

したがって、スイッチとしてはどのような形態であってもよいが、直流電流が流れていても遮断が容易な半導体スイッチを使うのが最適である。そのようなスイッチとしてはIGBTがある。図2に保護抵抗短絡スイッチの構成例を示す。スイッチはIGBT(9)にスイッチオフ時の高電圧発生を抑制するスナバ(10)が接続されてある。   Therefore, any type of switch may be used, but it is optimal to use a semiconductor switch that can be easily cut off even when a direct current flows. There is an IGBT as such a switch. FIG. 2 shows a configuration example of the protective resistance short-circuit switch. The switch is connected to the IGBT (9) with a snubber (10) that suppresses the generation of a high voltage when the switch is off.

スナバについては図示したようなCRスナバでもよいし、その他の形態であっても良い。スイッチオフ時に発生する電圧が、超伝導コイルを含む回路内の要素にとって問題なければスナバを実装する必要はない。   The snubber may be a CR snubber as shown or other forms. If the voltage generated at switch-off is not a problem for the elements in the circuit including the superconducting coil, it is not necessary to mount the snubber.

なお、コレクタ-エミッタ間に印加できる耐電圧が大きく、電流容量の大きなIGBT素子内部には一般に逆方向のダイオードが形成されているため、ダイオードも図示してある。大電圧を扱えるIGBTモジュールとしては3.3kVのものが市販されている。   In addition, since the withstand voltage that can be applied between the collector and the emitter is large and the diode in the reverse direction is generally formed inside the IGBT element having a large current capacity, the diode is also illustrated. A 3.3kV IGBT module that can handle large voltages is commercially available.

本実施例においては、Nb3Sn回路での最大発生電圧は約2.4kV、NbTi回路での最大電圧回路では約5kVであるため、それを遮断できるIGBTが必要となる。一般に入手可能なIGBTの最大電圧は3.3kVであり、これではNbTi回路ではこの電圧を越えている。   In the present embodiment, the maximum generated voltage in the Nb3Sn circuit is about 2.4 kV, and the maximum voltage circuit in the NbTi circuit is about 5 kV. Therefore, an IGBT capable of interrupting it is necessary. The maximum voltage of a generally available IGBT is 3.3 kV, which exceeds this voltage for NbTi circuits.

そこで図3に示すようにIGBTを直列接続することによってより大きな電圧を扱えるようにした。図3は高耐圧保護抵抗短絡スイッチの構成方法を示す。   Therefore, as shown in FIG. 3, a larger voltage can be handled by connecting IGBTs in series. FIG. 3 shows a configuration method of the high withstand voltage protection resistance short-circuit switch.

IGBT(9a,9b,9c,9d)を直列接続にし、それぞれのIGBTにはスナバ(10a,10b,10c,10d)を取り付け、さらにIGBTがオフの時に、回路に発生した電圧がそれぞれのIGBTに電圧が等しく分担されるように分圧抵抗(11a,11b,11c,11d)をとりつけた。   IGBTs (9a, 9b, 9c, 9d) are connected in series, snubbers (10a, 10b, 10c, 10d) are attached to each IGBT, and when the IGBT is off, the voltage generated in the circuit is applied to each IGBT. Dividing resistors (11a, 11b, 11c, 11d) were installed so that the voltages were equally shared.

分圧抵抗はIGBTのオフ抵抗の影響を受けないようにIGBTのオフ抵抗よりも10%未満とする。本実施例では、最大コレクタ-エミッタ間電圧1700V、連続コレクタ電流800Aの2素子1パッケージ入りの素子を使い、Nb3Snコイル側のスイッチはIGBTを2段構成、NbTi側は4段構成とした。   The voltage dividing resistance is set to less than 10% of the IGBT off-resistance so as not to be affected by the IGBT off-resistance. In this example, an element in a two-element one-package with a maximum collector-emitter voltage of 1700 V and a continuous collector current of 800 A was used, and the switch on the Nb3Sn coil side had a two-stage IGBT configuration and the NbTi side had a four-stage configuration.

直列したIGBTをオン状態からオフ状態にする際には、厳密にはIGBTの電流制限動作は等しくなく、したがって個々のIGBTの電圧分担に差が生じる可能性がある。しかし、分圧抵抗およびスナバの存在により分担電圧のバラツキが抑制され、IGBTに印加される電圧を許容範囲に抑えることができる。
(主回路分断スイッチおよび電源遮断スイッチ)
次に主回路分断スイッチおよび電源遮断スイッチについて説明する。保護抵抗短絡スイッチと異なり、主回路スイッチおよび電源遮断スイッチは定常状態において常に電流を流していることが特徴である。したがって、これらのスイッチはオン抵抗の十分小さなスイッチで電圧ドロップが小さいものが必要となる。半導体素子を使った場合、IGBTではコレクタ-エミッタ間飽和電圧が2-3V残るため不利であり、また、MOSFETを使えば並列接続で1mΩを十分に下回るオン抵抗を実現できるが耐電圧が低いため使いにくい。したがって主回路に入れるスイッチは、電磁接触器が最も適切である。
Strictly speaking, when switching the IGBTs in series from the on-state to the off-state, the current-limiting operation of the IGBTs is not equal, and therefore there is a possibility that a difference in voltage sharing among the individual IGBTs occurs. However, due to the presence of the voltage dividing resistor and the snubber, variation in the shared voltage is suppressed, and the voltage applied to the IGBT can be suppressed within an allowable range.
(Main circuit disconnection switch and power cutoff switch)
Next, the main circuit dividing switch and the power cutoff switch will be described. Unlike the protective resistance short-circuit switch, the main circuit switch and the power cut-off switch are characterized in that a current always flows in a steady state. Therefore, these switches are required to have a sufficiently small on-resistance and a small voltage drop. When semiconductor elements are used, IGBTs are disadvantageous because the collector-emitter saturation voltage remains at 2-3V, and using MOSFETs can achieve on-resistance well below 1mΩ in parallel connection, but the withstand voltage is low. It is difficult to use. Therefore, an electromagnetic contactor is the most suitable switch to be put in the main circuit.

図4に主回路分断スイッチまたは電源遮断スイッチの構成の一例を示す。電磁接触器(12)とスナバ(10)で構成される。これらのスイッチは接点開閉で直流電流を遮断することから、遮断時に接点間にアークが飛ぶため高電圧を抑制するためのスナバが必要となる。   FIG. 4 shows an example of the configuration of the main circuit disconnecting switch or the power cutoff switch. It consists of a magnetic contactor (12) and a snubber (10). Since these switches cut off the direct current when the contacts are opened and closed, an arc is generated between the contacts at the time of breaking, so that a snubber for suppressing high voltage is required.

図5に主回路分断スイッチまたは電源遮断スイッチの構成の別の例を示す。図1における主回路分断スイッチ(3)には、保護動作時にNb3Sn回路側の最大発生電圧の半分とNbTi回路側の最大発生電圧の半分の電圧の和が印加される可能性がある。この印加電圧に対し十分な耐圧を持つ大型の遮断器(たとえば真空遮断器)を用いても良い。しかし、大型の真空遮断器を使うのはコストや制御が大掛かりになるため、保護抵抗短絡スイッチと同様に図5に示すように、電磁接触器(12a,12b,12c,12d)を多段接続し、分圧抵抗(11a,11b,11c,11d)を使って、スイッチオフ時の電圧を分担するように構成することが望ましい。   FIG. 5 shows another example of the configuration of the main circuit disconnecting switch or the power cutoff switch. There is a possibility that the sum of the half of the maximum generated voltage on the Nb3Sn circuit side and the half of the maximum generated voltage on the NbTi circuit side may be applied to the main circuit dividing switch (3) in FIG. A large circuit breaker (for example, a vacuum circuit breaker) having a sufficient withstand voltage against the applied voltage may be used. However, since using a large vacuum circuit breaker is costly and costly, as shown in Fig. 5, multi-stage connection of magnetic contactors (12a, 12b, 12c, 12d) is required, as is the case with a protective resistance short-circuit switch. It is desirable to use a voltage dividing resistor (11a, 11b, 11c, 11d) to share the voltage when the switch is turned off.

このように多段接続をすることにより、スイッチオフ時の電圧の分担については問題はなくなるが、直流大電流を遮断する必要があるために、電磁接触器のみでスイッチを構成した場合には電流遮断動作およびスイッチオフの瞬間の高電圧発生による接点の焼損を防止が十分でないことも起こりうる。   This multi-stage connection eliminates the problem of voltage sharing when the switch is off, but it is necessary to cut off the large DC current, so if the switch is configured with only an electromagnetic contactor, the current is cut off. It is possible that contact burnout due to high voltage generation at the moment of operation and switch-off is insufficient.

その場合、電磁接触器のオフ動作が確実にできるように電流を小さくする、あるいはゼロにすることが必要となる。そのためには、主回路電流を遮断するスイッチに半導体スイッチを挿入し、このスイッチを利用して主回路の電流を保護回路へ転流させる。電磁接触器では電流の転流速度を制御することはできないため、大きな電圧がオフ動作時に発生するが、半導体スイッチであれば、ゲートの制御電圧をコントロールすることによって電流転流速度を制限でき電流転流時の高電圧発生を抑制できる。   In that case, it is necessary to reduce or reduce the current to zero so that the electromagnetic contactor can be reliably turned off. For this purpose, a semiconductor switch is inserted into a switch that cuts off the main circuit current, and the current of the main circuit is commutated to the protection circuit using this switch. Since a magnetic commutator cannot control the current commutation speed, a large voltage is generated during the off operation. However, in the case of a semiconductor switch, the current commutation speed can be limited by controlling the gate control voltage. Generation of high voltage during commutation can be suppressed.

図6に、転流速度をコントロールするために半導体スイッチを挿入した主回路分断スイッチ(電源遮断スイッチに本機能を持たせても可)の構成例を示す。この構成では2段の電磁接触器(12a,12b)とMOSFET(13)を直列接続をしてスイッチを構成している。また各スイッチにはスナバ(10a,10b,10c)を設置したが、これの構成は設計事項であるので適切に決めればよい。スイッチがオフ状態で印加される電圧を分担するために分担抵抗(11a,11b,11c)が必要となるが、MOSFET(13)は印加できる電圧が一般には数10Vと小さいため、MOSFET(13)に印加される電圧を小さくするために分担抵抗(11b)の値は、その他の分担抵抗(11a,11c)にくらべて適切に小さく設定する必要がある。また、MOSFET(13)のゲート電圧を制御して十分ゆっくり電流を転流させ、かつ、電流ゼロで電磁接触器(12a,12b)を開にするような動作をさせるのであれば、図7のようにスナバレスとすることができる。図7は電流転流時間の制御を可能とする、スナバレスの主回路分断スイッチまたは電源遮断スイッチの構成の一例を示す回路図である。
(保護回路詳細)
次に本実施例の全体回路の形態の一例を図8を示す。4個のNb3Snコイル(1a,1b,1c,1d)でひとつのコイルブロックとし、6個のNbTiコイル(1e,1f,1g,1h,1i,1j)をもうひとつのコイルブロックとし、2つの保護回路で磁石を保護することにした。
FIG. 6 shows a configuration example of a main circuit separation switch (a power cut-off switch may have this function) in which a semiconductor switch is inserted to control the commutation speed. In this configuration, a two-stage electromagnetic contactor (12a, 12b) and a MOSFET (13) are connected in series to form a switch. In addition, snubbers (10a, 10b, 10c) are installed in each switch, but this configuration is a design matter and may be determined appropriately. Sharing resistors (11a, 11b, 11c) are required to share the voltage applied when the switch is off, but MOSFET (13) has a small voltage that can be applied, typically several tens of volts, so MOSFET (13) In order to reduce the voltage applied to the resistor, the value of the sharing resistor (11b) needs to be set appropriately smaller than the other sharing resistors (11a, 11c). In addition, if the gate voltage of the MOSFET (13) is controlled so that the current is commutated sufficiently slowly and the electromagnetic contactors (12a, 12b) are opened at zero current, the operation shown in FIG. Can be snubbered. FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of the configuration of a snubberless main circuit disconnecting switch or a power shutoff switch that enables control of the current commutation time.
(Protection circuit details)
Next, FIG. 8 shows an example of the configuration of the entire circuit of this embodiment. Four Nb3Sn coils (1a, 1b, 1c, 1d) form one coil block, and six NbTi coils (1e, 1f, 1g, 1h, 1i, 1j) form another coil block for two protections We decided to protect the magnet with a circuit.

Nb3Snコイル側は1.7Ωの保護抵抗(7a,7b)を2段とし、回路としては3.4Ωの保護抵抗でコイルを保護することとし、保護抵抗(7a,7b)には2つのIGBT(9a,9b)で短絡し、保護抵抗の中点で10kΩの接地抵抗(16a)を介して接地した。保護回路とコイルブロックの間には、励磁時の電流分流抑制のためのダイオード(14a,14b)を挿入した。Nb3Snコイルの保護回路では、最大約2.4kVの電圧が発生し、中点設置のため対地電圧は1.2kVとなる。IGBT(9a,9b)には、コレクタ-エミッタ間電圧1700V、連続コレクタ電流800Aのものを使った。   The Nb3Sn coil has two 1.7Ω protection resistors (7a, 7b), and the circuit protects the coil with a 3.4Ω protection resistor. The protection resistors (7a, 7b) have two IGBTs (9a, 7b). Shorted at 9b) and grounded via a 10kΩ grounding resistor (16a) at the midpoint of the protective resistor. A diode (14a, 14b) was inserted between the protection circuit and the coil block to suppress the current shunting during excitation. In the Nb3Sn coil protection circuit, a maximum voltage of about 2.4 kV is generated, and the ground voltage is 1.2 kV due to the midpoint installation. The IGBT (9a, 9b) with a collector-emitter voltage of 1700V and a continuous collector current of 800A was used.

NbTiコイル側は1.8Ωの保護抵抗(7c,7d,7e,7f)を4段とし、回路としては7.2Ωの保護抵抗でコイルを保護することとし、保護抵抗(7c,7d,7e,7f)は4段のIGBT(9c,9d,9e,9f)で短絡し、保護抵抗の中点で10kΩの接地抵抗(16b)を介して接地した。保護回路とコイルブロックの間には、励磁時の電流分流抑制のためのダイオード(14c,14d)を挿入した。NbTiコイルの保護回路では、最大約5kVの電圧が発生し、中点設置のため対地電圧は2.5kVとなる。IGBT(9c,9d,9e,9f)には、コレクタ-エミッタ間電圧1700V、連続コレクタ電流800Aのものを使った。   The NbTi coil side has 1.8Ω protection resistors (7c, 7d, 7e, 7f) in four stages, and the circuit protects the coils with 7.2Ω protection resistors, and the protection resistors (7c, 7d, 7e, 7f) Was short-circuited by four-stage IGBT (9c, 9d, 9e, 9f) and grounded via a 10kΩ grounding resistor (16b) at the midpoint of the protective resistance. A diode (14c, 14d) was inserted between the protection circuit and the coil block to suppress the current shunting during excitation. The NbTi coil protection circuit generates a maximum voltage of about 5kV, and the ground voltage is 2.5kV due to the midpoint installation. IGBTs (9c, 9d, 9e, 9f) with a collector-emitter voltage of 1700 V and a continuous collector current of 800 A were used.

主回路分断スイッチは、電磁接触器(12b,12c)で構成した。また電源遮断スイッチは、直流電流源(4)とNb3Snコイルブロック間には、電磁接触器(12a)とMOSFET(13)の直列接続としたものを挿入し、電源とNbTiコイルブロック間には電磁接触器(12d,12e)を直列接続したものを挿入した。電磁接触器(12a,12b,12c,12d,12e)は、絶縁耐圧2kV、定格電流容量800Aのものを使用した。MOSFET(13)は、最大ドレイン-ソース間電圧150V、連続ドレイン電流375A、公称オン抵抗(最大11mΩ)の素子を12素子並列(図示せず)して構成した。電磁接触器にとりつけた分圧抵抗(11g,11i,11j,11k,11m)はそれぞれ1MΩとし、MOSFET(13)にとりつける分圧抵抗(11h)は100kΩとした。また、直流電流源(4)をバイパスするようにダイオード(15a,15b)を接地した。スナバは図示していないが、個々のスイッチから見たスイッチ動作時の電流パスの変化分のインダクタンスに蓄積されるエネルギーを回収できるように設計した。   The main circuit disconnect switch was composed of magnetic contactors (12b, 12c). For the power cut-off switch, an electromagnetic contactor (12a) and MOSFET (13) connected in series are inserted between the DC current source (4) and the Nb3Sn coil block, and the electromagnetic switch is connected between the power supply and the NbTi coil block. A contactor (12d, 12e) connected in series was inserted. As the magnetic contactors (12a, 12b, 12c, 12d, 12e), those having an insulation withstand voltage of 2 kV and a rated current capacity of 800 A were used. The MOSFET (13) was configured by arranging 12 elements in parallel (not shown) having a maximum drain-source voltage of 150 V, a continuous drain current of 375 A, and a nominal on-resistance (maximum of 11 mΩ). The voltage dividing resistors (11g, 11i, 11j, 11k, 11m) attached to the magnetic contactor were 1 MΩ, respectively, and the voltage dividing resistor (11h) attached to the MOSFET (13) was 100 kΩ. The diodes (15a, 15b) were grounded so as to bypass the direct current source (4). Although the snubber is not shown in the drawing, the snubber is designed so as to recover the energy stored in the inductance corresponding to the change in the current path during the switch operation as seen from the individual switches.

なお、本実施例では、保護抵抗短絡スイッチに基本回路で説明したような分圧抵抗を設置せず、保護抵抗と共用している。図9(全体回路の形態の別の例)に示すように分圧抵抗を設置し、保護抵抗中点と保護抵抗短絡スイッチを接続しない構成も可能である。この場合には、接地抵抗を省略することが可能となる。   In the present embodiment, the voltage dividing resistor as described in the basic circuit is not installed in the protective resistor short-circuit switch, and is shared with the protective resistor. As shown in FIG. 9 (another example of the configuration of the entire circuit), a voltage dividing resistor may be installed, and the protection resistor middle point and the protection resistor short-circuit switch may not be connected. In this case, the ground resistance can be omitted.

図10は本発明の磁石保護回路のもうひとつの基本概念を示す回路図である。実施例ではそれぞれのコイルブロックの保護抵抗が見えなくなるように保護抵抗短絡スイッチは保護抵抗の両端に接続したが、図10に示すように保護抵抗の一部分のみを短絡させるということも可能である。これは、それぞれの保護抵抗短絡スイッチがオフになるまでの間にも、短絡されていない保護抵抗で磁石のエネルギーを回収できるため、磁石の温度上昇がシビアであるときに利用する。   FIG. 10 is a circuit diagram showing another basic concept of the magnet protection circuit of the present invention. In the embodiment, the protection resistance short-circuit switch is connected to both ends of the protection resistance so that the protection resistance of each coil block is not visible, but it is also possible to short-circuit only a part of the protection resistance as shown in FIG. This is utilized when the temperature rise of the magnet is severe since the energy of the magnet can be recovered by the protection resistance that is not short-circuited until each protection resistance short-circuit switch is turned off.

図10は、図1の回路図に対し、保護抵抗(7a,7b)に保護抵抗(7a’,7b’)を直列に接続し、保護抵抗(7c,7d)に保護抵抗(7c’,7d’)を直列に接続し、保護抵抗短絡スイッチ(8a)を保護抵抗(7a,7b)と並列に接続し、保護抵抗短絡スイッチ(8b)を保護抵抗(7c,7d)と並列に接続したものである。
(スイッチ駆動回路)
前述のように、各スイッチの動作タイミングは、主回路の電流を切る主回路分断スイッチおよび電源遮断スイッチを切る直前には、保護抵抗短絡スイッチをオンにしておき、主回路のスイッチが完全に切れた後に保護抵抗短絡スイッチをオフにすることが必要であり、スイッチの動作タイミングを制御することが必要である。
10 is different from the circuit diagram of FIG. 1 in that protective resistors (7a ', 7b') are connected in series to protective resistors (7a, 7b), and protective resistors (7c ', 7d) are connected to protective resistors (7c, 7d). ') Connected in series, protective resistor short-circuit switch (8a) connected in parallel with protective resistor (7a, 7b), protective resistor short-circuit switch (8b) connected in parallel with protective resistor (7c, 7d) It is.
(Switch drive circuit)
As described above, the operation timing of each switch is determined by turning on the protective resistance short-circuit switch immediately before turning off the main circuit disconnection switch and power shutoff switch that cuts off the main circuit current, and the main circuit switch is turned off completely. After that, it is necessary to turn off the protective resistance short-circuit switch, and it is necessary to control the operation timing of the switch.

保護動作の信頼性確保のためには、タイミングを制御するコントローラがなくても、スイッチ動作の時間差が確保され動作する仕組みが必要となる。図911にタイミングの制御なしにスイッチ動作の時間差を確保するためのスイッチ駆動回路の例を示す。駆動回路はひとつの主電源に絶縁型のDC/DCコンバータが複数ぶら下がった構成となっており、各DC/DCコンバータの出力には、コンデンサと抵抗の遅延回路が接続されている。各出力の先には、保護抵抗短絡スイッチのIGBTのゲートや、主回路スイッチを構成するMOSFETのゲートなどが接続される。IGBTおよびMOSFETはすべてノーマリーオープンで構成しておく。接触器は電源供給が止まるとオフになるようにノーマリーオープンで構成されるべきであるが、コンデンサの容量が限られるため、ここから電源を供給して時間差を確保することは不可能である。したがって、電磁接触器を駆動するための電源(常時供給の系統とバックアップのバッテリー構成)をMOSFETスイッチを介して接続しておき、制御出力をこのMOSFETスイッチに接続する。遅延回路におけるコンデンサの放電時定数を適切に設定することによって、タイミングコントローラなしに各スイッチを適切な時間差で動作させることができる。   In order to ensure the reliability of the protection operation, a mechanism for ensuring the time difference of the switch operation and operating without a controller for controlling the timing is required. FIG. 911 shows an example of a switch drive circuit for ensuring a time difference in switch operation without timing control. The drive circuit has a structure in which a plurality of isolated DC / DC converters are suspended from one main power source, and a capacitor and resistor delay circuit are connected to the output of each DC / DC converter. Each output is connected to the IGBT gate of the protective resistance short-circuit switch and the MOSFET gate constituting the main circuit switch. All IGBTs and MOSFETs should be normally open. The contactor should be configured normally open so that it turns off when the power supply stops. However, since the capacity of the capacitor is limited, it is impossible to secure a time difference by supplying power from here. . Therefore, a power source for driving the magnetic contactor (a constantly supplying system and a backup battery configuration) is connected via a MOSFET switch, and a control output is connected to the MOSFET switch. By appropriately setting the discharge time constant of the capacitor in the delay circuit, each switch can be operated with an appropriate time difference without a timing controller.

以上のように、クエンチが発生したときに個々の保護回路を安全に切り離すことを可能とし、したがって、磁石の規模および蓄積エネルギーの制限なく、クエンチ時に超伝導磁石を保護できるシステムを提供できる。
(本発明の磁石保護回路の利用)
本発明の磁石保護回路は、永久電流モード運転ではなく、電源から電流が供給される超伝導磁石に対して適用できる。特に蓄積エネルギーの大きな磁石において有用であり、核融合用超伝導磁石や、SMES用の超伝導磁石といった応用に最適である。
As described above, it is possible to safely separate individual protection circuits when a quench occurs, and thus it is possible to provide a system capable of protecting a superconducting magnet during a quench without limiting the size of the magnet and stored energy.
(Use of the magnet protection circuit of the present invention)
The magnet protection circuit of the present invention can be applied not to the permanent current mode operation but to a superconducting magnet to which current is supplied from a power source. It is particularly useful for magnets with large stored energy, and is optimal for applications such as superconducting magnets for fusion and SMES.

本発明の磁石保護回路は、永久電流モード運転ではなく、電源から電流が供給される超伝導磁石に対して適用できる。特に蓄積エネルギーの大きな、核融合用超伝導磁石や、SMES用の超伝導磁石といった応用に利用できる。   The magnet protection circuit of the present invention can be applied not to the permanent current mode operation but to a superconducting magnet to which current is supplied from a power source. It can be used for applications such as fusion superconducting magnets and SMES superconducting magnets with large stored energy.

1a,1b,1c,1d,1e,1f,1g,1h,1i,1j: コイル
2a, 2b: コイルブロック
3:主回路分断スイッチ
4:直流電流源
5a,5b: 電源遮断スイッチ
6: 電源保護抵抗もしくは電源内部抵抗
7a,7b,7c,7d,7e,7f:保護抵抗
7a',7b',7c',7d': 保護抵抗
8a,8b:保護抵抗短絡スイッチ
9,9a,9b,9c,9d,9e,9f: IGBT
10,10a,10b,10c,10d: スナバ
11a,11b,11c,11d,11e,11f,11g,11h,11i,11j,11k,11m: 分圧抵抗
12,12a,12b,12c,12d,12e: 電磁接触器
13: MOSFET
14a,14b,14c,14d: ダイオード
15a,15b: ダイオード
16a,16b: 接地抵抗
1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i, 1j: Coil
2a, 2b: Coil block
3: Main circuit disconnect switch
4: DC current source
5a, 5b: Power cutoff switch
6: Power supply protection resistance or power supply internal resistance
7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f: Protection resistance
7a ', 7b', 7c ', 7d': Protection resistance
8a, 8b: Protection resistance short-circuit switch
9,9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f: IGBT
10,10a, 10b, 10c, 10d: Snubber
11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 11g, 11h, 11i, 11j, 11k, 11m: Voltage divider resistor
12,12a, 12b, 12c, 12d, 12e: Magnetic contactor
13: MOSFET
14a, 14b, 14c, 14d: Diode
15a, 15b: Diode
16a, 16b: Ground resistance

Claims (11)

複数のコイルブロック及び電源を直列接続して構成される超伝導磁石において、
前記複数のコイルブロックの間に設けられた第1の開閉器と、
前記コイルブロックと前記電源の間に設けられた第2の開閉器と、
前記コイルブロックと並列接続された保護抵抗回路と、
前記保護抵抗回路と接続された第3の開閉器と、を有し、
前記コイルブロックは、1つのコイルでまたは複数のコイルが直列接続されて構成され、
前記第3の開閉器は、開閉状態の切り替えによって前記保護抵抗回路の抵抗値が変化するように構成されており、
超伝導磁石の定常運転の際には、前記第1の開閉器及び前記第2の開閉器は閉状態で、前記第3の開閉器は開状態または閉状態で運転し、
超伝導磁石の常伝導転移の際には、前記第3の開閉器を閉状態にし、前記第1の開閉器及び第2の開閉器を開状態にした後に、前記第3の開閉器を開状態とすることを特徴とする超伝導磁石。
In a superconducting magnet configured by connecting a plurality of coil blocks and a power supply in series,
A first switch provided between the plurality of coil blocks;
A second switch provided between the coil block and the power source;
A protective resistance circuit connected in parallel with the coil block;
A third switch connected to the protective resistance circuit,
The coil block is configured by one coil or a plurality of coils connected in series,
The third switch is configured such that the resistance value of the protective resistance circuit is changed by switching the open / close state,
In the normal operation of the superconducting magnet, the first switch and the second switch are operated in a closed state, and the third switch is operated in an open state or a closed state.
When the superconducting magnet transitions to the normal conduction state, the third switch is closed, the first switch and the second switch are opened, and then the third switch is opened. A superconducting magnet characterized by being in a state.
請求項1に記載の超伝導磁石において、
前記第1の開閉器、前記第2の開閉器または前記第3の開閉器は、複数の開閉器を直列に接続して構成されることを特徴とする超伝導磁石。
The superconducting magnet according to claim 1,
The first switch, the second switch, or the third switch is configured by connecting a plurality of switches in series.
請求項1または2に記載の超伝導磁石において、
開閉器にかかる電圧を分配するための抵抗分圧器を、前記第1の開閉器、前記第2の開閉器または前記第3の開閉器と並列に接続して構成することを特徴とする超伝導磁石。
The superconducting magnet according to claim 1 or 2,
A resistance voltage divider for distributing a voltage applied to a switch is configured by being connected in parallel with the first switch, the second switch, or the third switch. magnet.
請求項1乃至3のいずれかに記載の超伝導磁石において、
前記第1の開閉器、前記第2の開閉器または前記第3の開閉器は半導体スイッチ素子を含むことを特徴とする超伝導磁石。
The superconducting magnet according to any one of claims 1 to 3,
A superconducting magnet, wherein the first switch, the second switch, or the third switch includes a semiconductor switch element.
請求項1乃至4のいずれかに記載の超伝導磁石において、
前記第1の開閉器または前記第2の開閉器は、接点開閉で電流を遮断する電磁接触器と、電流の大きさを制御する半導体スイッチとを備えることを特徴とする超伝導磁石。
The superconducting magnet according to any one of claims 1 to 4,
The first switch or the second switch includes a magnetic contactor that cuts off a current by opening and closing a contact, and a semiconductor switch that controls the magnitude of the current.
請求項5に記載の超伝導磁石において、
前記複数のコイルブロック、前記電源、前記第1の開閉器及び前記第2の開閉器で主回路を形成し、
前記第1の開閉器または前記第2の開閉器は、前記半導体スイッチにより前記主回路に流れる電流を前記保護抵抗回路へ移行させ、前記主回路に流れる電流を小さくした後に、前記電磁接触器により電流を遮断することを特徴とする超伝導磁石。
The superconducting magnet according to claim 5,
The plurality of coil blocks, the power source, the first switch, and the second switch form a main circuit,
The first switch or the second switch is configured to transfer the current flowing in the main circuit to the protection resistor circuit by the semiconductor switch and reduce the current flowing in the main circuit, and then by the electromagnetic contactor. A superconducting magnet that cuts off current.
請求項1乃至6のいずれかに記載の超電導磁石において、
前記コイルブロックに接続される各保護抵抗の中点で接地することを特徴とする超伝導磁石。
The superconducting magnet according to any one of claims 1 to 6,
A superconducting magnet, which is grounded at the midpoint of each protective resistor connected to the coil block.
請求項1乃至6のいずれかに記載の超電導磁石において、
前記コイルブロックに接続される各保護抵抗の中点から接地抵抗を介して接地することを特徴とする超伝導磁石。
The superconducting magnet according to any one of claims 1 to 6,
A superconducting magnet, wherein a ground point is grounded from a midpoint of each protective resistor connected to the coil block.
請求項1乃至6のいずれかに記載の超電導磁石において、
前記コイルブロックに接続される各保護抵抗の中点から第4の開閉器を介して接地することを特徴とする超伝導磁石。
The superconducting magnet according to any one of claims 1 to 6,
A superconducting magnet, wherein a ground point is grounded from a middle point of each protective resistor connected to the coil block via a fourth switch.
請求項9に記載の超電導磁石において、
超伝導磁石の定常運転の際には、前記第4の開閉器を開状態にし、
超伝導磁石の常伝導転移の際には、前記第1の開閉器及び第2の開閉器を開状態にした後であって、前記第3の開閉器を開状態とする前に、前記第4の開閉器を閉状態にすることを特徴とする超伝導磁石。
The superconducting magnet according to claim 9,
In the normal operation of the superconducting magnet, the fourth switch is opened,
In the normal conduction transition of the superconducting magnet, after the first switch and the second switch are opened, and before the third switch is opened, the first switch 4. A superconducting magnet, wherein the switch 4 is closed.
請求項1乃至10のいずれかに記載の超電導磁石において、
前記第3の開閉器は、前記保護抵抗回路の全部または一部を短絡させることで、前記保護抵抗回路の抵抗値を変化させることを特徴とする超伝導磁石。
The superconducting magnet according to any one of claims 1 to 10,
The third switch is a superconducting magnet, wherein the resistance value of the protective resistance circuit is changed by short-circuiting all or a part of the protective resistance circuit.
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